【科學奧秘】第五集: 瑞利散射和查普伊吸收：天空為何藍，夕陽為何紅

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晴空萬里的時候, 天空是一片蔚藍色, 甚至有時候是深藍色, 又藍又亮, 很好看。到了傍晚的時候, 會出現好看的夕陽, 甚至大片橘色, 有時候還會出現粉紅色。

那為甚麼天空是藍色, 夕陽又是紅色呢? 今天我們就來分析看看這兩個的原因。

大氣層結構

1.對流層

我們知道, 地球上空離我們最近的一層大氣層是對流層, 這裡包含了所有大氣層中80%的物質, 有很多水分, 塵埃漂浮在這裡, 雲朵也是。越靠近赤道附近, 對流層的密度也會越高, 雲朵也會越厚越大, 自然雨水風暴也會變得比較多。而我們平常坐飛機的時候, 也是在對流層, 只不過在相對較高的位置, 大概距離海平面10公里到11公里左右, 這裡的溫度會隨著海拔升高而降低。

2.平流層

在往上升高40公里時, 就到了平流層的最高位置, 沒有雲朵,並且溫度會隨著海拔升高而升高。因為這裡含有大量的臭氧, 有刺鼻的味道, 會吸收太陽光, 溫度會變高, 這一層也叫臭氧層, 臭氧在吸收太陽輻射的同時, 也同時吸收了有害大量生物的紫外輻射, 從而保護了地球的生態環境。

3.中間層

臭氧層的高度再往上30公里左右, 就到了中間層, 大氣變得稀薄, 溫度降低, 最冷達到零下90攝氏度, 這裡是我們可以看見流星產生尾巴的地方, 快速降落的流星劃過中間層臨界時, 會開始燃燒, 產生長長的流星尾, 星體體積若是較小, 則會燃燒殆盡, 變成灰塵。中間層的存在大幅度降低了大型星體直接撞擊地球的可能性, 因為在這一層劃過的星體會燃燒消耗, 從而產生了保護地球的作用。

再往上是甚麼層? 會發生甚麼事? 下次再說, 我們先拉回主題。這裡我們首先注意到太陽光被吸收的主要環節是在臭氧層。那這就開始決定了為甚麼天空是藍色, 而夕陽是紅色的了。我們看到的陽光是穿過了臭氧層, 過濾之後的陽光, 而不是所有的百分百原生態太陽光, 全部看到, 那樣人會死掉。

瑞利散射的起源

那臭氧層是通過甚麼方式過濾陽光呢? 答案是散射和吸收。而散射效應的發現也是偶然的, 就像牛頓被蘋果砸中發現萬有引力一樣, 首先發現天空藍色效應的是19世紀一位名為約翰·廷德爾的科學家, 在為他自己研究純淨空氣裡是否有隱藏的汙染物的紅外線實驗時, 意外發現, 亮光在穿透非納米級粒子時, 會變成略帶藍色的光線, 但是他無法證明這一點, 兩年後, 英國物理學家瑞利勳爵, 發表兩篇論文, 證明了廷德爾發現的藍色效應。

經過20年的更正和理論完善後, 這個天空之藍效應終於取名為瑞利散射。於是它成為了當時解釋天空為甚麼是藍色的主流說法, 這之後出現了另外一個說法, 就是查普伊吸收, 它完美解釋了臭氧層對藍色天空形成的影響和作用。但由於當時瑞利散射已經成為主流, 導致查普伊吸收效應被知道的很少。但其實兩者結合起來, 才能最全面解釋我們看見的天空為甚麼這麼藍。

瑞利散射

散射定義

首先, 我們來看看瑞利散射, 瑞利散射是散射中的一種, 而散射是指移動過程中的粒子或者輻射, 在穿透另外一種物質時, 由於該物質的粒子結構的不均勻性, 導致移動過程中的粒子偏離直線運動方向, 形成偏離運動, 這種運動形式就叫散射。

而瑞利散射是專門針對陽光, 或者說可見光, 來說明的。當太陽光穿透臭氧層, 平流層, 再到對流層時, 大量的雲朵, 水分和塵埃粒子, 畢竟80%的大氣層物質都在這裡, 這些物質就會阻擋陽光輻射直線進入地球表面, 而使陽光發生散射, 經瑞利勛爵研究結論, 波長越短的光線, 被散射的次數越多, 也就是更為頻繁, 反之, 波長越長的光線, 被散射的頻率就會越低, 散射率, 與波長成反比。

瑞利散射對植物的影響

天空的瑞利散射

所以, 在晴朗的白天, 當藍色光穿過對流層時, 被大量散射, 藍光輻射粒子產生偏離運動, 而紫光早已被臭氧層過濾掉, 剩下綠光我們也看不見, 那還剩下的紅光和黃光, 排在藍光背後, 還來不及被散射, 所以我們白天看見的天空, 是藍色的。

那夕陽為甚麼又如此不同呢? 為甚麼白天看不見被紅色和黃色暈染的漂亮雲彩呢?

原因是太陽光入射角度的關係。日落時候, 太陽幾乎與地平線平齊, 這個時候, 光線進入到地球表面要走的距離會比正午直射90度角的距離要長很多很多, 因為距離夠長, 光輻射穿透的粒子也就越多, 散射效果也就越大, 這個時候基本上, 藍色都被散射沒了, 紅色和黃色就開始出場了, 所以我們才只能在夕陽的時候, 看見大片被紅黃橙暈染的美麗天空了。

而以上整個過程, 就是瑞利散射。

瑞利散射的層次感

那瑞利散射為甚麼會讓一整片天空藍的如此有層次感, 不會忽深忽淺的藍呢? 即使在夕陽出現的時候, 也是紅黃藍層次分明, 而不會像油畫調色一樣, 全都混在一起呢?

這個問題問得很好。答案是因為, 散射過程中, 運動的雙方粒子會互相摩擦, 就像對抗比賽運動員會互相推擠對方隊員的身體一樣, 這樣一來, 粒子之間的互相摩擦和推擠動作, 直接作用到了粒子內部的電荷。

而又因為光(這裡指可見光)是有規律的振盪輻射, 所以這種規律性運動產生的電場, 也將穿透的物質的粒子給規律的帶動起來, 這些小於波長長度的粒子, 會被帶動起來, 快速規律的運動, 於是在光輻射之間, 形成類似於分開正負電荷的電場的輻射場, 相當於一條分界線, 這樣就形成了我們能看到的層次分明的藍色而不是忽深忽淺的亂七八糟的藍。

落日的餘暉也是一個道理, 紅色黃色, 層次分明, 而不會是紅裡帶點黃, 黃裡又出現紅這樣, 更不會出現藍色裡突然有一片黃或者紅了, 反正不會是亂七八糟的都混在一起就對了, 這就是瑞裡散射裡的電磁場效應產生的作用, 也稱為極化。

查普伊吸收

接下來, 就是不常被人知的查普伊吸收效應了。這裡的吸收在物理學上, 一般指電子對電磁輻射的吸收, 在這裡主要是指原子裡的電子吸收光子的能量, 將電磁輻射能量轉化為內能, 也就是熱能的過程。

所以在上面我們所說的臭氧層裡, 臭氧會大量吸收光輻射, 其中紫外線佔一大部分, 剩餘的可見光也會被吸收一小部分, 而這小部分的可見光能被臭氧吸收的現象就是查普伊吸收。

那它和瑞利散射有甚麼直觀上的不同呢? 答案是, 其實差不多。只不過查普伊吸收集中於臭氧層, 而瑞利散射是講大範圍的散射, 包含查普伊吸收效果。

瑞利散射與查普伊吸收

這兩者也有共同點, 共同點是: 使原本不規律的陽光輻射, 因為粒子的相互電磁場作用, 而變得規律起來, 物理學上叫極化, 所以使得, 人眼看起來, 顏色就更加分明了。

那平常要怎樣才可以單獨看到明顯的查普伊吸收效應的第一層藍色濾鏡呢? 這裡有兩種情況可以考慮, 一種是瑞利散射最弱時, 查普伊吸收就會顯得相對明顯。第二種是, 散射效果最強的時候, 我們也能直接看到更加明顯的亮藍色。

那第一種情況理所當然就是天快黑的時候了, 在大部分可見光都沒有的時候, 也就是太陽剛落下沒多久時, 外加天氣額外晴朗, 這個時候, 大量的紅色和黃色光已經消失下線, 剩下的一大坨藍色就開始顯現查普伊的功勞了, 我們會看到美麗的深邃藍夜空。

第二種情況就是正午, 太陽光90度入射地球, 此時極化達到最高值, 因為電場也是90度垂直於磁場的, 所以有加強作用, 這個時候, 查普伊吸收和瑞利散射效果最強, 我們就會看到比其他時間更鮮亮, 顏色對比更強烈的藍色天空。

特例粒子

最後, 我們再講一個散射特例, 任何事物都有特例, 人也是, 所以粒子也是。在使藍天更加藍這點上做出卓越貢獻的粒子就是那些特例粒子。

在光輻射被散射和規律化時, 大部分粒子都會產生彈性散射, 也就是不改變內部能量, 而特例粒子, 就恰好產生了能量改變, 物理上稱為非彈性散射, 而這些能量改變又是通過吸收了光子的能量而來, 自身的能量從而得到了些許提升, 就像是運氣比較好, 得到的比較多的那種, 那這部分好運的特例粒子帶來的影響就是, 加強了光的極化, 使光線的磁場振盪更加有規律, 在我們人眼裡看來就是, 藍色更加藍了, 紅色也更加紅了, 非常好看。這就是拉曼散射了。

那最後的最後, 我們來講結局, 每個故事都有一個結局, 每段人生也有一個結局, 所以散射, 也有它的結局。那散射的結局是甚麼? 就是衰減。對, 當粒子穿透某種物質時, 比如陽光從宇宙出發, 到一直穿透對流層到達地球表面時, 大量粒子或者光子會被散射, 或吸收, 從而造成粒子數減少, 能量減少, 密度減小。這就是衰減了。就好像一整組人馬前去打仗, 在穿越敵方領地與敵人對抗時, 打的時間越長, 留下的人就越少。我們看見的藍天也會根據地方的不同而顏色不同, 因為衰減程度不一樣導致, 所以我們看到的夕陽也不會紅到整片天空都是同樣色度的血紅色了, 那樣會很恐怖。

最後, 這也可以順便解釋, 為甚麼越藍的天空, 雲朵越少, 越是陰天, 天就越沒有顏色了, 雨天更是亮度降低了, 因為氣體和水分子增加, 粒子數量增多, 衰減加強。

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